王德軍

摘 要：定向井技術(shù)是伴隨著勘探開發(fā)而不斷發(fā)展起來的鉆井技術(shù)。由于它采用特殊的工藝、測(cè)量設(shè)備、復(fù)雜工具來有效的控制井眼軌跡。達(dá)到我們預(yù)先設(shè)計(jì)的油層段。近年來由于井場(chǎng)受限，定向井在勘探開發(fā)上發(fā)揮的作用越來越明顯。

關(guān)鍵詞：遼河油田;定向井;控制;井眼軌跡;優(yōu)化

1 概述

遼河油田新建產(chǎn)能區(qū)塊受城區(qū)、自然保護(hù)區(qū)等限制，存在征地費(fèi)用高、鉆井實(shí)施難度大，必須實(shí)施定向井才能開發(fā)，定向井遼河油田開始規(guī)模應(yīng)用，降低地面投資，方便生產(chǎn)管理。定向井井眼軌跡一般由直井段、增斜段、穩(wěn)斜段、降斜段組成。

我們?cè)诙ㄏ蚓@井軌跡設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)，方便鉆井施工的角度考慮經(jīng)驗(yàn)軌跡。在滿足鉆井工程要求的前提下，應(yīng)綜合考慮后續(xù)機(jī)械采油設(shè)備合理運(yùn)行及節(jié)能降耗等問題，優(yōu)選井眼軌道剖面類型;優(yōu)選不同垂深與不同水平位移定向井的造斜點(diǎn)、垂深以及水平位移的合理界限，指導(dǎo)定向井井眼軌道的設(shè)計(jì);在三維軌跡條件下，研究作業(yè)管柱井下工具串在套管內(nèi)直線與彎曲通過的臨界條件，指導(dǎo)作業(yè)管柱工具串配置方案設(shè)計(jì)，確保作業(yè)管柱的施工安全。

2 定向井井眼軌道模擬的數(shù)學(xué)模型

2.1 井身剖面類型

對(duì)于任意一口定向井，組成井身的所有井段形狀都包括;鉛垂井段、增斜井段、穩(wěn)斜井段和降斜井段。定向井井身剖面類型較多，按目前地質(zhì)情況，主要考慮四種井身剖面：三段式剖面、五段式剖面、懸鏈?zhǔn)狡拭?、拋物線剖面。

2.2 井身剖面曲線的數(shù)學(xué)模型

分別建立了三段式剖面、五段式剖面、雙增穩(wěn)剖面的、懸鏈線剖面、拋物線剖面等五種井身剖面曲線的數(shù)學(xué)模型。

2.3 井眼軌道曲線的數(shù)值模擬

井眼軌道曲線模擬是機(jī)械采油桿柱與井下作業(yè)管柱力學(xué)分析的基礎(chǔ)。一般常用斜深、井斜角、方位角三個(gè)基本參數(shù)描述井眼軌道曲線，并根據(jù)基本參數(shù)確定井眼軌道的其它參數(shù)。

基本參數(shù)：鉆井工程上把井深、井斜角和方位角稱為基本參數(shù)。已知井眼軌道上某一點(diǎn)的井深、井斜角和方位角，就可以確定其它參數(shù)。

井深（S）是井眼軌道上任意一點(diǎn)到井口的井眼長(zhǎng)度稱為井深，它是一條曲線的長(zhǎng)度，所以也稱之為斜深。對(duì)于實(shí)鉆井眼軌道來講，測(cè)點(diǎn)處的井深稱為測(cè)量深度，它通常以鉆柱長(zhǎng)度或測(cè)量電纜的長(zhǎng)度來測(cè)量的。

井斜角（α）是井眼軌道曲線上任意一點(diǎn)井眼的方向線與鉛垂線的夾角稱為該點(diǎn)處的井斜角。

方位角（φ）是以正北方向?yàn)槭歼?，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至井眼軌道方向線在水平面上的投影所轉(zhuǎn)過的角度，稱為該點(diǎn)處的井斜方位角。

井斜角與方位角是相互依存的，只要井斜角不為零，就存在著什么方向的問題。事實(shí)上，井斜包括井斜角和井斜方位角兩方面的含義。

2.4 利用井身剖面模擬井眼軌道曲線

井身剖面曲線可以統(tǒng)一表示為：y=f（x）

①井眼斜深。對(duì)于井身剖面曲線上的任意一點(diǎn)（x，y），井眼斜深S（x，y）可以表示為：S（x，y）=

②水平位移與垂深。對(duì)于坐標(biāo)為（x，y）的井身剖面上任意一點(diǎn)，x即為水平位移，y即為垂深。

③井斜角α與井斜角變化率Kα

α=tg-1（） ? Kα=

④ 方位角φ與方位角變化率Kφ。對(duì)于所設(shè)計(jì)的二維井身剖面，方位角φ與方位角變化率Kφ均為0。在實(shí)際鉆井中，由于各種因素的綜合影響，井眼軌道方位角是變化的，而且方位角變化率對(duì)舉升系統(tǒng)的性能參數(shù)有顯著影響，有必要考慮井眼軌道方位角變化率對(duì)機(jī)械舉升系統(tǒng)的性能參數(shù)。根據(jù)實(shí)際定向井測(cè)斜數(shù)據(jù)，利用隨機(jī)過程理論，統(tǒng)計(jì)方位角、方位角變化率與斜深的關(guān)系。

φ=φ（∑）

Kφ=

⑤曲率與曲率半徑。對(duì)于坐標(biāo)為（x，y）的井身剖面上任意一點(diǎn)，井眼曲率K與曲率半徑R分別為：

K= ? R=

2.5 井身剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型

懸點(diǎn)最大載荷PRLmax、懸點(diǎn)最小載荷PRLmin;曲柄軸最大扭矩MNmax;系統(tǒng)效率η;電動(dòng)機(jī)實(shí)耗功率PM或年能耗費(fèi)用ZMP;抽油桿柱質(zhì)量MR或抽油桿設(shè)備投資ZR。

2.6 造斜點(diǎn)垂深優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型

設(shè)計(jì)變量包括定向井井身剖面類型、造斜點(diǎn)垂深。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，綜合考慮各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立造斜點(diǎn)垂深優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。約束條件，給定垂深與水平位移，簡(jiǎn)單考慮鉆井工藝對(duì)井眼造斜斜率的要求。 給出不同垂深與水平位移定向井在不同井身剖面條件下造斜點(diǎn)垂深的優(yōu)化結(jié)果。

3 工具串在套管內(nèi)通過界限的研究

工具串在套管內(nèi)直線通過的臨界條件

在實(shí)際應(yīng)用中，我們通過幾何關(guān)系可得：

L≤Lmax=2

當(dāng)僅有兩個(gè)工具時(shí)，D1=d，則：

L≤Lmax=2

式中：Lmax——允許的工具串最大長(zhǎng)度;Dc——套管內(nèi)徑，m;D2——兩端工具串的最大外徑，m;D1——中間工具的最大外徑，m;d——油管直徑，m。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

①對(duì)定向井有桿泵優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)重新調(diào)整了優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路方法，建立了三段式、五段式等幾種井身剖面的數(shù)學(xué)模型，建立了井眼軌道曲線的數(shù)值模擬。

②確立了工具串在套管內(nèi)直線通過的臨界條件，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇一種適合的井身剖面類型 ，進(jìn)行井眼軌道曲線的設(shè)計(jì)。